Kvantveidrus: teadlased lõid footoniga põimunud «Schrödingeri bakteri»

Pilt on illustreeriv. Foto: Aki Goban, Ye group/JILA

Bakterite ja footonite väidetav omavaheline kvantpõimimine võib olla esimene samm mikro- ja makromaailmas kehtivate füüsikaseaduste ühildamisel.

Kui paljude jaoks on kvantfüüsika üks loodusteaduste veidramaid ja keerulisemaid valdkondi, siis üks hiljuti ajakirjas The Journal of Physics Communications avaldatud uuring näitab, et kogu asi võib olla veel oluliselt keerulisemgi.

Superpositsioonide, ebatavaliste osakeste ja tihti müstikutele kõneainet pakkuva vaatlejast sõltuvuse kõrval on kvantfüüsika üheks veidramaks nähtuseks nn kvantpõimumine või kvantpõiming. Selle aluseks on kaks kvantfüüsika müstilisemat nähtust. Esiteks osakeste, näiteks valguseosakeste ehk footonite kvantomaduste sõltuvus vaatlejast.

Kui üks või teine olek ära mõõta, võtab osake selle omaks. Ilma vaatleja sekkumiseta on see looduses alati ebamääraselt mitmes võimalikus olekus korraga. Kuulsaim näide sellest nn «superpositsioonist» on Schrödingeri kass.

Tõeline tontlikkus tuleb aga mängu, kui kaks osakest omavahel «põimuvad» ehk seotud saavad. Sellisel puhul toimub miski, mis ei peaks Isaac Newtoni seatud füüsikareeglite järgi isegi võimalik olema – ükskõik kui kaugel kaks osakest üksteisest ka ei ole, muudab põimunud paari ühe footoni oleku mõõtmine teise osakese oleku automaatselt vastupidiseks.

Üldiselt peetakse sellist veidrat füüsikalist käitumist omaseks ennekõike ülipisikestele osakestele, olgu selleks siis footonid, elektronid või aatomid. Suuremõõdulisemas maailmas toimuvat kirjeldab siiski paremini inimmõistusele hõlpsamini hoomatavam nn Newtoni füüsika. Kust kahe füüsika piir täpselt jookseb, on tänase päevani vaidlusküsimus. Värske uuringu kaasautori, Oxfordi Ülikooli füüsiku Chiara Marletto hinnangul ei ole aga mingit mõtet arvata nagu oleks kvantmehaanikal üldse mingeid suurusepiire.

Et kvantefektide piire järele proovida korraldasid Marletto ja kolleegid eksperimendi, mille tulemused näitasid, et kvantpõimumine võib toimida lisaks muule ka elusorganismide peal, põimides kokku bakterid ja footonid (valgusosakesed).

Nimelt väidavad kvantfüüsika uuemad teooriad, et põiming peaks justkui olema suurusepiirideta ning ei ole põhjust, miks põhimõtted, mis töötavad elektronide puhul, ei tohiks toimida ka näiteks koerte, inimeste või kasvõi sinivaalade puhul. Samas on selge, et mida suurem ja keerukam süsteem, seda keerulisem ka selle põimimine.

Seda piiri Sheffieldi Ülikooli teadlased katsetasidki. Aastal 2017 läbi viidud eksperimendis panid nad sadakond bakterit peegelkambrisse, mis tagas seal liikuva valguse kindla lainepikkuse. Aja jooksul ilmnes, et kuuel bakteril tekkis vähemalti mingil tasemel põimitus valguse footonitega. Täpsemini ühtlustus valguse võnkesagedus bakterite kloroplastides sisalduva klorofülli elektronide oma tavalisest asendist välja ja sisse «põrkamisega».

Marletto hinnangul võib oletada, et tegemist võib olla põimumisest veidramagi kvantefektiga – uuringu autorite hinnangul võisid footonitega põimuda mitte vaid elektronid klorofüllis, vaid koguni terved bakterid. Nimelt väidab kvantfüüsika teatavasti, et kõiki esemeid saab kirjeldada nii osakese kui ka lainena, kuigi selles kontekstis tohutusuurte objektide nagu bakterite puhul on nende laineliste omaduste mõõtmine praktiliselt võimatu. Põimumine tähendab aga, et footoni ja bakterite lainepikkusi kirjeldavad valemid sulandusid ühte ning üht polnud võimalik lahendada ilma teiseta.

Tegemist on kahtlemata ühe igavesti segase uuringuga, mille järeldused ei ole veel kaugeltki lõplikud, kuna mõõdetud tulemuste taga võib olla ka posu muid seletusi.